李立民, 唐烈先, 趙 力

(1. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 陜西 西安 710043; 2. 陜西省鐵道及地下交通工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院), 陜西 西安 710043; 3. 遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院, 遼寧 鞍山 114051; 4. 陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司, 陜西 西安 710010)

0 引言

目前,國內(nèi)外修建的地下工程越來越多,埋深越來越大,隨著埋深的增加,高地應(yīng)力引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害問題愈發(fā)嚴(yán)峻。深部地下巖體工程開挖擾動(dòng)極易誘發(fā)巖爆災(zāi)害,造成人員傷亡、設(shè)備損毀,導(dǎo)致工期延遲、投資增加。深部工程建設(shè)對(duì)巖爆預(yù)警提出了新的要求。

目前,我國學(xué)者在巖爆監(jiān)測預(yù)警[1-5]、巖爆風(fēng)險(xiǎn)控制[6]、微震活動(dòng)特征和圍巖穩(wěn)定性[7]以及微震監(jiān)測技術(shù)[8]等方面積累了大量研究成果,取得了一些應(yīng)對(duì)巖爆災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn);也有學(xué)者開展了巖爆微震參數(shù)預(yù)測研究[9],這些研究推動(dòng)了巖爆防治及微震監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展。但目前在實(shí)際施工中引入微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)巖爆進(jìn)行連續(xù)長距離監(jiān)測預(yù)警的工程還不多,僅有錦屏Ⅱ級(jí)水電站工程、BY鐵路隧道、巴基斯坦N-J水電工程等,仍缺乏高地應(yīng)力深埋隧洞施工過程中對(duì)強(qiáng)烈級(jí)別以上巖爆有效監(jiān)測和預(yù)警的方法。引漢濟(jì)渭工程施工過程中基于微震監(jiān)測技術(shù)開展了一系列針對(duì)巖爆孕育發(fā)展及預(yù)警的相關(guān)研究[10-16],為巖爆風(fēng)險(xiǎn)分析提供了參考,但尚缺少整體效果評(píng)價(jià)。

秦嶺輸水隧洞總長98.3 km,埋深超過1 km的洞段長度超過27 km,近4 km洞段埋深超過1.5 km,在勘察設(shè)計(jì)階段主要采用臨界埋深法、強(qiáng)度應(yīng)力比、地質(zhì)綜合分析法等對(duì)巖爆災(zāi)害進(jìn)行宏觀判斷,并對(duì)巖爆高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了預(yù)警。但由于地下工程巖體分布不均勻、局部地應(yīng)力變化多樣以及施工方案影響等,實(shí)際施工中巖爆的空間和時(shí)間分布與宏觀判別結(jié)果有較大差異。

本文主要針對(duì)秦嶺輸水隧洞施工過程中面臨的高地應(yīng)力巖爆問題,在單洞長度超過13 km的洞段創(chuàng)新性地連續(xù)應(yīng)用以微震監(jiān)測技術(shù)為主的巖爆監(jiān)測預(yù)警技術(shù),并通過總結(jié)施工現(xiàn)場巖爆發(fā)生的規(guī)律,提出基于微震指標(biāo)的巖爆等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),以期為類似工程提供參考。

1 工程概況與地質(zhì)特征

1.1 工程概況

秦嶺輸水隧洞越嶺段地處秦嶺西部山脈,山系呈東西向展布,山體兩側(cè)呈南緩北陡之勢(shì),地形地質(zhì)條件極其復(fù)雜,區(qū)內(nèi)山峰高程為500～2 500 m,隧洞越嶺段起止里程為K0+000～K81+779,進(jìn)口高程為542.65 m,出口高程為510.00 m,最大埋深為2 012 m。秦嶺輸水隧洞越嶺段地質(zhì)剖面如圖1所示。

1.2 地質(zhì)特征

秦嶺輸水隧洞越嶺段出露的圍巖主要為花崗巖、閃長巖、變質(zhì)砂巖等,巖石強(qiáng)度高,且以塊狀結(jié)構(gòu)居多。圍巖以Ⅰ、Ⅱ類為主,少部分為Ⅲ類,節(jié)理裂隙不發(fā)育,完整性好?？辈煸O(shè)計(jì)階段預(yù)警發(fā)生巖爆洞段多分布于高地應(yīng)力硬質(zhì)巖地段。單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果顯示,該段巖體質(zhì)地堅(jiān)硬,強(qiáng)度普遍大于70 MPa,最高甚至可達(dá)242 MPa,巖石完整性系數(shù)一般大于或等于0.55。實(shí)測地應(yīng)力成果顯示,其初始最大主應(yīng)力值均超過20 MPa,最高達(dá)70.1 MPa;采用線性回歸公式預(yù)測隧洞最大主應(yīng)力可達(dá)100 MPa。

現(xiàn)場巖爆實(shí)錄資料顯示,隧洞內(nèi)發(fā)生過巖爆的地段巖體完整、干燥、巖質(zhì)堅(jiān)硬、地下水不發(fā)育。

2 巖爆特征

2.1 巖爆表現(xiàn)形式

秦嶺輸水隧洞開挖過程中,受極高地應(yīng)力的影響,巖爆頻繁發(fā)生,導(dǎo)致鋼筋網(wǎng)失效、拱架變形下沉或彎曲斷裂、TBM卡機(jī)、設(shè)備損壞及人身傷害等。巖爆等級(jí)以中等—強(qiáng)烈?guī)r爆為主,多表現(xiàn)為巖體剝落、拱部巖體爆裂及崩塌、底部底板隆起崩裂等。巖爆應(yīng)力破壞類型以構(gòu)造型為主,強(qiáng)度應(yīng)力型次之。

2.1.1 巖體剝落

巖體剝落主要發(fā)生在拱頂,剝落后圍巖呈鱗片狀,巖體剝落后塌腔深度一般小于0.5 m。

2.1.2 巖體爆裂、崩塌

2019年4月5日1:00左右,嶺北TBM掘進(jìn)至K46+140.6處,隧洞埋深1 119 m,巖性為變質(zhì)砂巖,隧洞拱部TBM護(hù)盾上方發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆,巖體爆裂后致使護(hù)盾上方壓力劇增,護(hù)盾被壓死,TBM無法前進(jìn)和后移,設(shè)備被卡。通過人工配合風(fēng)鎬將巖體破碎清理,2 d后才使護(hù)盾脫困,TBM恢復(fù)掘進(jìn)。

2019年6月1日8:17,TBM掘進(jìn)至K45+711處,隧洞埋深1 249 m,巖性為閃長巖,護(hù)盾后上方連續(xù)發(fā)生3次強(qiáng)烈?guī)r爆,伴有悶雷聲,巖體發(fā)生崩塌,形成長約7 m、寬8.5 m、深3.9 m的塌腔;護(hù)盾后方面向掘進(jìn)方向11:00至15:00位置已支護(hù)鋼拱架扭曲變形,部分被壓彎至TBM作業(yè)平臺(tái)上,現(xiàn)場停機(jī)進(jìn)行換拱處理。

2.1.3 底板隆起

2019年8月28日,K40+201.2～+207段隧洞底部發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆,最大能量3.3×106J,3塊仰拱塊左側(cè)被集體抬高,左側(cè)已回填混凝土被震散,導(dǎo)向輪位置鋼軌被震斷,導(dǎo)向輪跳道,仰拱塊最大被抬高16 cm。停機(jī)處理導(dǎo)向輪6 h。

2019年9月2日,K40+233～+239段隧底發(fā)生巖爆,最大能量1.19×106J,2榀拱架底部發(fā)生變形,左側(cè)巖體被爆裂成碎塊,形成松散體。

2.2 巖爆發(fā)生規(guī)模及頻率

自2017年9月至2022年2月,引漢濟(jì)渭秦嶺輸水隧洞K33+870～K47+150段共發(fā)生巖爆3 990次,見表1。巖爆等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖2所示。有的段落在爆破后即發(fā)出巖爆聲,并伴隨剝落掉塊現(xiàn)象;有的段落則在開挖一段時(shí)間后發(fā)生巖爆現(xiàn)象。大多數(shù)巖爆發(fā)生在開挖后4～6 h,有的段落持續(xù)時(shí)間長,開挖后3～5 d仍然發(fā)出類似爆破聲的巨響、悶響或者類似鞭炮的清脆響聲。巖爆破壞形式以巖石剝落、崩塌及爆裂掉塊等為主,嚴(yán)重的有從洞頂或洞壁彈射出巖片、巖塊等,坍塌下來的巖爆塊體形狀多呈透鏡狀、片狀、板狀、棱塊狀,甚至大塊體等;有時(shí)在開挖面附近能明顯看到巖石漸進(jìn)破壞過程產(chǎn)生的新生裂隙。巖爆塌腔破壞深度多為0.5～3.0 m,最大深度可達(dá)10 m以上。

表1 秦嶺輸水隧洞巖爆統(tǒng)計(jì)

圖2 秦嶺輸水隧洞巖爆等級(jí)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

輕微巖爆一般聲音清脆,像鞭炮聲,掉塊后塌腔深度小于0.5 m,多發(fā)生在掌子面后約1倍洞徑范圍內(nèi),主要集中在拱部90°范圍,出現(xiàn)在邊墻部位的次數(shù)較少。

中等、較強(qiáng)巖爆一般聲音沉悶,中等巖爆塌腔深度一般為0.5～1.5 m,較強(qiáng)巖爆塌腔深度一般為1.5～2.5 m。中等、較強(qiáng)巖爆多發(fā)生在掌子面后約2倍洞徑范圍內(nèi),主要集中在隧洞拱部150°范圍,邊墻也有出現(xiàn),底板偶有出現(xiàn),部分地段兩側(cè)仰拱處有巖體鼓起呈魚鱗狀剝落。

對(duì)于強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆,可聽到持續(xù)的巖體爆裂聲,部分伴隨強(qiáng)烈震感,強(qiáng)烈?guī)r爆塌腔深度為2.5～3.5 m,極強(qiáng)巖爆塌腔深度為3.5 m以上。巖體瞬間大面積爆落可導(dǎo)致整個(gè)隧洞拱部及邊墻破壞,甚至可能造成隧洞底部巖體向上隆起,最高隆起達(dá)60 cm,強(qiáng)烈和極強(qiáng)巖爆影響范圍可達(dá)掌子面后3～5倍洞徑。如果長大節(jié)理發(fā)育,巖爆疊加不利結(jié)構(gòu)面引起的巖體坍塌破壞規(guī)模會(huì)更大,且該類洞段更易發(fā)生滯后性巖爆。

3 巖爆監(jiān)測與預(yù)警

3.1 微震監(jiān)測技術(shù)

秦嶺輸水隧洞施工階段主要基于微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)巖爆災(zāi)害進(jìn)行監(jiān)測與預(yù)警,監(jiān)測系統(tǒng)及運(yùn)行模式如圖3所示。

圖3 巖爆監(jiān)測系統(tǒng)及運(yùn)行模式

在掌子面前的隧洞左右壁各布置3個(gè)以上高靈敏度和高精度的微震傳感器,前后間距約50 m,靠近掌子面的監(jiān)測斷面距掌子面約70 m。首先,施工擾動(dòng)下當(dāng)巖體發(fā)生破壞時(shí)產(chǎn)生的彈性波被傳感器接收后,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)會(huì)通過信號(hào)轉(zhuǎn)換、波形識(shí)別、閾值觸發(fā)形成微震事件,并詳細(xì)記錄微震活動(dòng)的“時(shí)空強(qiáng)”信息,數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得微震事件頻次、能量、震級(jí)以及分布范圍、集中度等指標(biāo);然后,對(duì)比現(xiàn)場已發(fā)生巖爆的統(tǒng)計(jì)信息,確定該施工洞段的巖爆判別標(biāo)準(zhǔn);最后,根據(jù)判別標(biāo)準(zhǔn)中能量范圍對(duì)應(yīng)的振幅設(shè)定預(yù)警觸發(fā)閾值,結(jié)合同時(shí)觸發(fā)閾值的傳感器數(shù)量和位置,實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和范圍的預(yù)警,并根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際巖爆情況驗(yàn)證預(yù)警的準(zhǔn)確性。

3.2 典型案例

2018年6月29日6:00～ 6月30日6:00微震監(jiān)測系統(tǒng)采集到的有效微震事件在K39+375～+435段高達(dá)92次,其中50次達(dá)到中等級(jí)別以上,頻次高、能量大、震級(jí)強(qiáng)且分布集中。本次微震監(jiān)測到的最大單次能量達(dá)3.86×106J,相當(dāng)于200 kg巖石炸藥爆炸當(dāng)量,超過了強(qiáng)烈?guī)r爆判別能量閾值,及時(shí)發(fā)出了巖爆預(yù)警信息。

2018年6月30日8:41,4號(hào)洞下游鉆爆法工作面K39+401發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆,塌腔縱向長度約為4 m,環(huán)向長度超過10 m,塌腔最深約5.8 m,隧洞埋深1 223 m,巖性為花崗巖; 2018年7月1日5:30～6:15,該洞段再次發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆,巖爆疊加長大節(jié)理導(dǎo)致最大塌腔深度超過10 m。在本次強(qiáng)巖爆前微震監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出了預(yù)警信息,有效指導(dǎo)了現(xiàn)場安全施工。

2020年11月15日,某專家組計(jì)劃考察秦嶺輸水隧洞現(xiàn)場施工情況,上午8:00隧洞掘進(jìn)里程K41+809,隧洞埋深1 756 m,巖性為花崗巖,巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為1.81,預(yù)判巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為強(qiáng)烈?；谖⒄饠?shù)據(jù)發(fā)出了巖爆預(yù)警信息,如下:

1)當(dāng)日8:22,預(yù)警信息提示近2日掌子面附近微震較活躍、頻次較高,存在滯后性巖體破壞的風(fēng)險(xiǎn),預(yù)判拱頂和右側(cè)壁風(fēng)險(xiǎn)較大,建議專家組進(jìn)洞考察時(shí)要距離掌子面20 m且少停留,并盡可能靠左側(cè)行走。

2)當(dāng)日13:04,自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)推送信息顯示,前方偏右側(cè)有震級(jí)較強(qiáng)、能量較大的微震事件發(fā)生,微震最大能量為7.1×104J。

3)當(dāng)日13:10,自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)推送信息顯示,數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常,5 min內(nèi)有超過10次微震事件發(fā)生,微震能量為1.9×104～7.8×104J。

2020年11月15日巖爆實(shí)際情況為:在13:10～13:12,TBM護(hù)盾后5 m范圍內(nèi),即距離掌子面6～11 m右側(cè)發(fā)生強(qiáng)烈滯后性巖爆,巖爆樁號(hào)為K41+800～+802,最大單次能量為1.28×106J,造成4榀拱架出現(xiàn)了不同程度的破壞和變形下沉。說明微震監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)警信息是有效的。

3.3 微震規(guī)律研究

秦嶺輸水隧洞施工階段微震監(jiān)測系統(tǒng)布置在勘察設(shè)計(jì)階段巖爆等級(jí)評(píng)價(jià)為強(qiáng)烈和極強(qiáng)[17-18]以及巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)為中等及以上的施工段落[19]。微震監(jiān)測設(shè)備鋪設(shè)在掌子面后傳感器可以采集有效數(shù)據(jù)的范圍內(nèi)[20],并隨著掌子面推進(jìn)不斷交替向前移動(dòng),對(duì)掌子面前后250 m范圍實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)測。

3.3.1 微震能量特征

為了研究微震活動(dòng)的能量特征,選取洞段K39+550～K40+550發(fā)生的巖爆次數(shù)與累計(jì)能量進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖4所示。K39+550～K40+100段每50 m的巖爆次數(shù)為10～28,累計(jì)能量為6.3×105～1.13×107J; K40+100～+550段每50 m的巖爆次數(shù)為33～52,累計(jì)能量為2.2×107～6.87×107J。說明巖爆次數(shù)與微震累計(jì)能量吻合度較好。

圖4 嶺南K39+550～K40+550段巖爆次數(shù)與累計(jì)能量統(tǒng)計(jì)圖

研究結(jié)果表明,將一定時(shí)間段內(nèi)微震事件的累計(jì)能量作為巖爆風(fēng)險(xiǎn)的重要判斷指標(biāo)之一是合理的。由于不同的微震監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)信號(hào)振幅有不同的監(jiān)測量程(刻度),導(dǎo)致不同的微震監(jiān)測系統(tǒng)計(jì)算出的微震能量量級(jí)不一致。因此,在用微震能量對(duì)微震事件進(jìn)行等級(jí)劃分時(shí),需要結(jié)合現(xiàn)場反饋進(jìn)行調(diào)整。

3.3.2 微震活動(dòng)頻次特征

為了分析微震活動(dòng)的頻次特征,選取K39+550～K40+550段發(fā)生的巖爆次數(shù)與微震頻次進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果如圖5所示。K39+550～K40+100段每50 m的巖爆次數(shù)為10～28,微震頻次為155～444;K40+100～+550段每50 m的巖爆次數(shù)為33～52,微震頻次為366～849。說明巖爆次數(shù)與微震頻次指標(biāo)吻合度較好,因此將微震頻次作為巖爆風(fēng)險(xiǎn)的重要判斷指標(biāo)之一也是合理的。

圖5 嶺南K39+550～K40+550段巖爆次數(shù)與微震頻次統(tǒng)計(jì)圖

微震監(jiān)測系統(tǒng)能夠監(jiān)測到的指標(biāo)較多,文獻(xiàn)[21]對(duì)微震及巖爆沿隧洞橫斷面的分布規(guī)律進(jìn)行了分析,監(jiān)測結(jié)果與實(shí)際揭露結(jié)果較為吻合。在工程應(yīng)用中,現(xiàn)場技術(shù)人員需要簡單易讀的結(jié)果,便于快速采取應(yīng)對(duì)措施。因此,在引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞連續(xù)監(jiān)測工作中,通過與現(xiàn)場人員不斷溝通交流,形成了“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”的簡易量化分析方法,通過統(tǒng)計(jì)一定時(shí)間范圍內(nèi)的微震最大能量、累計(jì)微震頻次和微震活動(dòng)分布,并通過數(shù)據(jù)分析平臺(tái)處理后將巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和范圍以及發(fā)生概率呈現(xiàn)給相關(guān)技術(shù)人員,大大提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)的利用效率。

3.3.3 基于微震能量的巖爆等級(jí)劃分

目前,國內(nèi)外對(duì)巖爆等級(jí)的劃分標(biāo)準(zhǔn)較多,主要差異點(diǎn)在于: 對(duì)巖爆劃分的級(jí)數(shù)不一樣;對(duì)巖爆破壞深度描述不一樣;對(duì)巖爆事件微震能量的定量描述不一樣。產(chǎn)生差異的原因有很多,例如: 1)不同的工程出現(xiàn)巖爆的次數(shù)和劇烈程度不同,若一個(gè)工程中僅有極少的地段發(fā)生巖爆,那么對(duì)巖爆等級(jí)判定的明確度和準(zhǔn)確度要求則會(huì)較低;但對(duì)于巖爆頻繁發(fā)生的工程,對(duì)巖爆等級(jí)劃分的明確度和準(zhǔn)確度要求則較高,對(duì)巖爆的描述也更為詳細(xì)。2)不同巖性條件、不同施工方法均會(huì)造成巖爆發(fā)生時(shí)現(xiàn)象的差異,如采用TBM法施工時(shí),由于圍巖受到的擾動(dòng)相對(duì)鉆爆法較小,造成其應(yīng)力及能量的集中程度稍高于鉆爆法施工,因此相同等級(jí)的巖爆其微震事件能量要高于鉆爆法。但總體來看,巖爆等級(jí)與事件能量具有明顯的正向關(guān)聯(lián)性。

勘察設(shè)計(jì)階段可以采用目前最常用的基于強(qiáng)度應(yīng)力比理論的巖爆判據(jù)進(jìn)行巖爆等級(jí)評(píng)價(jià)[18-19]。對(duì)于施工階段無微震監(jiān)測的地下工程,可以在勘察設(shè)計(jì)階段巖爆風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的基礎(chǔ)上,通過聲響特征、圍巖破裂特征、破壞深度等宏觀表象判定巖爆等級(jí);對(duì)于有微震監(jiān)測的地下工程,則可將微震監(jiān)測的相關(guān)指標(biāo)納入巖爆等級(jí)評(píng)價(jià)中,通過將巖爆表象與微震相關(guān)指標(biāo)相結(jié)合,使得對(duì)巖爆的判定能夠?qū)崿F(xiàn)定性與定量相結(jié)合,從而做出更加精細(xì)的評(píng)價(jià)。

在秦嶺輸水隧洞開展微震監(jiān)測工作達(dá)5年2個(gè)月,主洞監(jiān)測范圍為K33+870～K47+150,累計(jì)監(jiān)測長度為14.33 km,搭建了包含99 784次微震事件的數(shù)據(jù)庫,集成了傳感器坐標(biāo)、事件波形、事件位置、能量、震級(jí)等信息,通過對(duì)微震監(jiān)測大數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選分析研究,對(duì)其中實(shí)際發(fā)生3 990次巖爆的微震事件標(biāo)注了對(duì)應(yīng)的巖爆位置、等級(jí)等信息,為巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的劃分及預(yù)警提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)力。

前期為了使該巖爆等級(jí)評(píng)價(jià)體系具有較好的適用性,選取了4號(hào)支洞1.046 km典型洞段開展了巖爆等級(jí)劃分試驗(yàn)研究。通過多次巖爆特征及表象的對(duì)比分析,逐步將巖爆風(fēng)險(xiǎn)判別指標(biāo)簡化為“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”,經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證,預(yù)警準(zhǔn)確率可達(dá)83%。為此,基于前期工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和巖爆發(fā)生前兆微震能量變化規(guī)律,同時(shí)考慮不同工程、不同施工方法條件下的不同巖爆等級(jí)的微震能量,細(xì)化了巖爆分級(jí),將巖爆劃分為輕微巖爆、中等巖爆、較強(qiáng)巖爆、強(qiáng)烈?guī)r爆和極強(qiáng)巖爆5個(gè)等級(jí),并對(duì)巖爆的現(xiàn)象進(jìn)行了表觀描述,得到了表2中基于能量閾值的巖爆等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。

表2 基于能量閾值的巖爆等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

3.4 監(jiān)測結(jié)果分析

秦嶺輸水隧洞自2008年開工建設(shè)以來,巖爆災(zāi)害共發(fā)生4 000余次,尤其是隨著隧洞向大埋深方向掘進(jìn),中等及以上等級(jí)巖爆頻發(fā),埋深與巖爆等級(jí)具有明顯的正相關(guān)性。從最初的平均每掘進(jìn)30 m發(fā)生1次巖爆災(zāi)害,發(fā)展到每掘進(jìn)2 m發(fā)生1次巖爆災(zāi)害,巖爆頻率和強(qiáng)度均呈明顯增大趨勢(shì)。2020年以來,某地震臺(tái)網(wǎng)測定顯示,部分地段巖爆能量已經(jīng)達(dá)到區(qū)域小型地震級(jí)別,震級(jí)達(dá)ML1.6級(jí)。

引入微震監(jiān)測技術(shù)后,在秦嶺輸水隧洞主洞13 280 m的連續(xù)監(jiān)測里程范圍內(nèi),共監(jiān)測到有效微震事件95 712次,監(jiān)測段內(nèi)實(shí)際發(fā)生巖爆3 990次,預(yù)警準(zhǔn)確率如表3所示。

表3 微震監(jiān)測技術(shù)預(yù)警準(zhǔn)確率

基于微震監(jiān)測技術(shù)的巖爆監(jiān)測預(yù)警方法,能有效獲得隧洞工作面前后一定范圍內(nèi)的微震事件、微震能量及巖爆發(fā)生概率,實(shí)現(xiàn)巖爆定量化風(fēng)險(xiǎn)判別,預(yù)警準(zhǔn)確率加權(quán)平均值達(dá)90.45%,成功指導(dǎo)了工程施工,保障了人員和設(shè)備安全,極大緩解了施工人員進(jìn)洞的恐懼心理。

4 結(jié)論與展望

本文通過微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)最大埋深2 012 m的引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞連續(xù)5年開展單洞長度超過13 km洞段的巖爆監(jiān)測預(yù)警工作,主要得出如下結(jié)論:

1)采用微震監(jiān)測技術(shù)成功預(yù)警了隧洞施工中監(jiān)測區(qū)域發(fā)生的大多數(shù)巖爆,綜合預(yù)警準(zhǔn)確率約為90%。

2)基于工程應(yīng)用級(jí)的微震大數(shù)據(jù)分析與比對(duì),形成了“以微震能量為主、以微震頻次和集中度為輔”的巖爆風(fēng)險(xiǎn)簡易定量化判別方法,可增強(qiáng)數(shù)據(jù)可讀性、提高技術(shù)人員的接受度、充分發(fā)揮施工指導(dǎo)作用。在不同地質(zhì)背景的深埋地下工程中,結(jié)合實(shí)際情況對(duì)判別指標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)修正或調(diào)整即可。

3)受巖爆機(jī)制、巖體性質(zhì)、巖體結(jié)構(gòu)、施工工法等因素影響,巖爆發(fā)生的具體時(shí)間尚無法準(zhǔn)確預(yù)測,但隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展和深入應(yīng)用,有望根據(jù)微震大數(shù)據(jù)對(duì)未來一定時(shí)間段內(nèi)的巖爆風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行智能預(yù)測。

4)對(duì)于深埋隧洞巖爆高風(fēng)險(xiǎn)地段,采用微震監(jiān)測技術(shù)對(duì)巖爆災(zāi)害進(jìn)行超前預(yù)報(bào)是非常必要的,對(duì)隧洞掘進(jìn)可以起到較好的指導(dǎo)作用,對(duì)滇藏鐵路、新藏鐵路等國家重點(diǎn)工程建設(shè)具有重要的意義。